Теоретичні відомості

Джерелами електричного світла є лампи розжарення, люмінісцентні лампи низького тиску і ртутні лампи високого тиску. За способом перетворення електричної енергії на світлове випромінювання їх поділяють на дві групи: теплові (лампи розжарю­вання) і газорозрядні (люмінесцентні, ртутні).

В сучасних лампах розжарювання (рис.2) використовується воль­фрамова нитка 6, температура плавлення якого близько 3400 °С. В розжареному стані температура нитки становить 2500—2700 °С, що забезпечує світ­лове випромінювання енергії. Захист від згоряння нитки забезпечуєть­ся викачуванням повітря з колби 5 або, ще краще, наповненням колби інертним газом — криптоном, або сумішшю інертних газів азоту, ар­гону і ксенону.

Для зменшення теплових втрат і компактності ламп розжарення нитку скручують у спіраль. В окре­мих видах ламп цю нитку скручують у подвійну спіраль. Такі лампи називають біспіральними.

При роботі ламп їх нитки розжарювання спрацьовуються (вольфрам випаровується), нитки стають тоншими і врешті перегоряють. Пари вольфраму осідають на поверхні колби і роблять її менш прозорою. Для зменшення випаровування вольфрамової нитки та запобігання її перегоряння колбу заповнюють інертними газами.

Рис. 2. Лампа розжарення: цоколь, 2- ніжка, 3 – електрод, 4 – гачок, 5 – колба, 6 – спіраль.

Лампи розжарення загального призначення випускаються переважно для живлення від стан­дартної напруги 220 В. Промисловість випускає лампи на напругу 230-240 В для користування в місцях, де напруга тривалий час буває вище номінальної (наприклад поблизу трансформаторної підстанції).

Лампи потужністю 15 і 25 Вт виготовляються вакуумні, наприклад: В220-15, В220—25 з різьбовим цоколем діаметром 27 мм. Лампи потужністю 40-100 Вт виготовляють газонаповненими з біспіральною ниткою, наприклад: Б220-40, Б220-100. Стандартні потужності ламп: 15, 25, 40, 60, 75, 100 Вт. Лампи потужністю вище 100 Вт виготовляють газонаповненими з спіральною ниткою розжарювання, наприклад: Г220-150, Г220-1500 і з стандартними потужностями 150, 200, 300, 500, 1000, 1500 Вт.

Для ламп, потужністю 500 Вт і більше, різьбовий цоколь має діаметр 40 мм. На кожній колбі позначається напруга і потужність лампи, наприклад: 230-240 В, 40 Вт.

Для місцевого освітлення виготовляють лампи з напругою 12 і 36 В потужністю 15, 25, 40, 60 і 100 Вт з різьбовим цоколем діаметром 27 мм, наприклад: МО12—15, МО12—60, МО36—25, МО36—100.

Середній термін служби ламп розжарювання загального призна­чення 1000—1200 годин при номінальній напрузі сітки.

До основних характеристик ламп розжарювання відносяться напруга, потужність і випромінюваний світловий потік. Чим більша потужність, тим більший світловий потік, наприклад, для ламп напругою 220 В і потужністю 15 Вт світловий потік Ф = 105 лм, а для 100 Вт. Ф=1320 лм.

Економічність лампи характеризується світловою віддачею Н=Ф/Р(лм/Вт); де Ф — світловий потік в люменах, Р — активна потужність лампи у ватах. Світлова віддача характеризує вели­чину світлового потоку, що припадає на 1 Вт витраченої електричної потужності. Для сучасних ламп розжарювання світлова віддача складає 2-4 %, решта енергії переходить у тепло. Світлова віддача ламп розжарювання складає 7-19,7 лм/Вт.

Кращу світлову віддачу мають так звані галогенні лампи розжарювання з вольфрамовою ниткою, наповнені парами йоду. Пари йоду розчиняють пари вольфраму і сприяють його поверненню на поверхню нитки. Цей процес відбувається лише при високих температурах, тому галогенні лампи виготовляють з тугоплавкого скла циліндричної форми діаметром 10,75мм і довжиною 190—335мм. Потужність галогенних ламп 1000—2000 Вт зі світло­вою віддачею 22 лм/Вт і терміном служби 2000 годин.

Економнішими є газорозрядні лампи — трубчасті люмінесцентні низького тиску і дугові ртутні люмінесцентні високого тиску (ДРЛ). Люмінесцентна лампа (рис. 3) низького тиску складається з циліндричної скляної трубки 4, яка запаяна з обох кінців, з нанесеним шаром люмінофору з внутрішньої сторони. З обох кінців трубки розміщені електроди 3, виготовлені з вольфрамового дроту у вигляді подвійної спіралі, яка вкрита шаром оксидів барію, кальцію і стронцію для полегшення розряду.

З лампи відкачано повітря і заповнено газом аргоном з краплею ртуті. Тиск в лампі встановлюють незначний, тому вони називаються лампами низького тиску. При подачі імпульсу підвищеної напруги на попередньо підігріті електроди в лампі, відбувається розряд в парах ртуті. Напругу до лампи підводять до штирьових контактів, розміщених у цоколях 1. За кольором випромінювання випускають лампи: денного світла (ЛД), денного світла кращої світловіддачі (ЛДЦ), холодно-білого світла (ЛХБ), білого світла (ЛБ) і теплобілого світла (ЛТБ).

Рис. 3. Люмінесцентна лампа низького тиску: 1 – цоколь,

2 – ніжка, 3 – електрод, 4 – скляний балон.

Люмінесцентні лампи низького тиску виготовляють потужністю 30, 40, 80, 120 Вт на напругу 220В. Останнім часом у продажі є лампи й інших потужностей, а також цокольні. Термін служби близько 5000 годин при номінальній напрузі і стабільній температурі оточуючого середовища 15-25 °С.

Принцип дії люмінесцентної лампи базується на основі самостійного газового розряду. Для пояснення принципу дії газорозрядних ламп скористаємось основами теорії провідності газів. У газах електронна провідність (як у металах) поєднується з іонною провід­ністю (подібною до провідності водних розчинів або розплавів електролітів).

Проте між провідністю газів та електролітів існує істотна відмінність. Так іони розчинів електролітів утворюються внаслі­док ослаблення внутрішньо молекулярних зв'язків іонів у молекулах внаслідок дії молекул розчинника (молекул води). У га­зах іони утворюються або від нагрівання, або внаслідок дії зовнішнього іонізатора.

Для дослідження струму в газах при різних тисках зручно використати скляну трубку з двома металевими електродами (рис. 4).

Нехай за допомогою якого-небудь іонізатора (висока температура, опромінювач тощо) в газі утворюється за одиницю часу певне число пар заряджених частинок: позитивних іонів та електронів. Якщо різниця потенціалів на електродах трубки дорівнює нулеві, то в трубці встановлюється динамічна рівновага, при якій число пар іонів, що утворюються, дорівнюватиме числу пар іонів, які зникають внаслідок рекомбінації.

Рис. 4.

Утворивши невелику різницю потенціалів між електродами трубки, позитивно заряджені іони переміщуються до негативного електрода-катода, а негативно заряджені — до позитивного електрода-анода. Внаслідок цього в трубці виникає електричний струм. Таке явище називають газовим розрядом.

Не всі іони, що утворилися, досягають електродів: частина їх рекомбінують, утворюючи молекули газу. В міру збільшення різниці потенціалів між електродами трубки частка заряджених частинок, що досягають електродів, збільшується. Зростає і струм у колі. Нарешті, настає мо­мент, коли всі заряджені частинки, що утворюються в об’ємі газу, досягають електродів. При цьому струм досягає насичення, тобто далі не зростатиме (рис.5). Якщо дія іонізатора припиняється, то струм зникає. З цієї причини розряд називають несамостійним розрядом.

Рис 5.

Із збільшенням різниці потенціалів між електродами, почи­наючи з деякого значення, струм знову зростає (рис. 6). Це означає, що у газі виникають додаткові іони, крім тих, які утворюються за рахунок іонізатора. Струм може зростати в сотні і тисячі разів, а кількість іонів, що виникають у процесі розряду, може стати такою великою, що зовнішній іонізатор уже не потрібний для підтримання розряду. Якщо вимкнути іонізатор, то розряд уже не припиниться. Оскільки розряд не потребує для свого підтримання зовнішнього іонізатора, його називають самостійним розрядом.

Причина виникнення самостійного газового розряду – іонізація електронним ударом.

Рис. 6

Механізм іонізації пояснюється просто. Вільний електрон, що виник при дії іонізатора починає рухатися до анода. На своєму шляху він зустрічає іони і нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується внаслідок роботи сил електричного поля. Чим більша різниця потенціалів між електро­дами, тим більша напруженість електричного поля. Кінетична енергія електрона перед черговим зіткненням пропорційна напруженості поля і довжині вільного пробігу електрона (шляхи між двома послідовними зіткненнями): .

Якщо кінетична енергія електрона переважає роботу , яку треба виконати, щоб іонізувати нейтральний атом, тобто , то під час його зіткнення з атомом відбувається іонізація. Отже під час іонізації одного атома з’являється уже два вільних електрони (той, що налітає на атом, і той, що виривається з атома) та позитивно заряджений іон.

Вони у свою чергу дістають енергію в полі й іонізують зустрічні атоми і т. д. Внаслідок цього число заряджених частинок швидко наростає, виникає електронна лавина. Описаний процес називають іонізацією електронним ударом.

Проте сама іонізація електронним ударом не може підтримати самостійний розряд. Справді, адже всі електрони, що виникають таким чином, рухаються у напрямі до анода і після досягнення анода «вибувають з гри». Для підтримання розряду потрібна емісія електронів з катода («емісія» українською мовою означає випромінювання). Емісія електронів може бути зумовлена кількома причинами. Позитивні іони, що утворилися внаслідок зіткнення електронів з нейтральними атомами, рухаючись до катода, набувають під дією поля великої кінетичної енергії. Коли такі швидкі іони ударяються об катод, то з поверхні катода вибиваються електрони.

Крім того, катод може випромінювати електрони під час нагрівання до великої температури. Цей процес називають термоелектронною емісією.

Його можна розглядати як випаровування електронів з металу. У багатьох твердих речовинах термоелектронна емісія відбувається при таких температурах, коли випаровування самої речовини ще незначне. З таких речовин і виготовляють катоди.

При самостійному розряді катод може нагріватися в процесі бомбардування його позитивними іонами. Якщо енергія іонів не дуже велика, то електрони не вибиваються з катода і все обмежується розігріванням катода.

Залежно від властивостей і стану газу, характеру і розміщення електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду в газах.

Чим менший тиск у газі, тим більша середня відстань між його атомами. Тому із зниженням тиску в газі збільшується довжина вільного пробігу електронів. Згідно з формулою це означає збільшення кінетичної енергії електрона перед черговим зіткненням і, отже, його іонізуючої здатності.

Тому найпростіше викликати самостійний розряд у трубці при низьких тисках (десяті частки міліметра ртутного стовпа). Для цього досить мати різницю потенціалів між електродами у кілька сотень (а іноді й значно менше) вольтів. При даних умовах у трубці відбувається так званий тліючий розряд.

Безпосереднє спостереження тліючого розряду показує, що він неоднорідний. Якщо не звертати уваги на тонкі деталі будови роз­ряду, то можна виділити три ділянки: катодну ділянку, однорідне тліюче світіння - позитивний стовп, анодну ділянку.

Рис. 7.

Основною причиною емісії електронів з катода в тліючому розряді є удари позитивних іонів об катод і дія на катод власного випромінювання розряду.

На катодній ділянці масивні іони, що рухаються до катода, проходять цю ділянку за значно більший час, ніж легкі електрони. Внаслідок цього поблизу катода утворюється хмара позитивного заряду. На малій відстані потенціал різко змінюється від мінімального значення на негативно зарядженому катоді до максимального значення у ділянці позитивної хмари просторового заряду. Цей різкий спад потенціалу поблизу катода дістав назву катодного спаду потенціалу (рис. 7). Саме в цій ділянці позитивні іони набувають енергії, достатньої для вибивання електронів з поверхні катода. Наявність катодного спаду потенціалу – найважливіша ознака тліючого розряду.

У ділянці позитивного стовпа електрони виникають за рахунок ударної іонізації. Електрони, що утворилися в процесі іонізації, рухаються до анода, а позитивні іони – до катода і вибивають з нього електрони.

Для позитивного стовпа характерно, що його параметри (концентрація заряджених частинок, напруженість електричного поля) не змінюються на всій цій ділянці.

Тліючий розряд використовують у люмінесцентних лампах, трубках для реклам тощо. Оранжево-червоне світіння виникає, якщо трубки наповнені неоном. Позитивний стовп в аргоні має синювато-зеленуватий колір. В лам­пах денного світла використовують розряд у парі ртуті. Найважливіше застосування тліючий розряд дістав у порівняно недавно ство­рених квантових джерелах світла – газових лазерах.

Звичайно, найширше використання газового розряду використано в люмінесцентних лампах. Люмінесцентна лампа – газорозрядне джерело світла, світловий потік якого створюється переважно свіченням люмінофора під дією ультрафіолетового випромінювання газового розряду у парах ртуті; видима частина фіолетового випромінювання складає декілька відсотків.

Дугові ртутні лампи високого тиску ДРЛ (рис. 8) відрізняються тим, що в них газовий розряд відбувається всередині прямої кварцової трубки 4, наповненої аргоном з добавкою невеликої кількості ртуті. У трубку впаяні основні 3 і додаткові 5 електроди. При подачі напруги, між додатковими і основними електродами виникає тліючий розряд, що полегшує іонізацію парів ртуті і розряду між основними електродами при тиску 5-10 кгс/м². Кварцова трубка вміщена в скляний балон 2, внутрішні стінки якого вкриті шаром люмінофору 6. Світлове випромінювання люмінофору доповнює синьо-зелене випромінювання газового розряду у кварцевій трубці і дозволяє одержати необхідну кольорову гаму світла. Лампи ДРЛ з цоколем 0 40 мм випускають потужністю 80, 125, 250, 400, 700 і 1000 Вт на напругу 125—145 В.

Рис. 8. Дугова ртутна лампа: 1 – цоколь,

2 – скляний балон, 3 – основний електрод,

4 – кварцева трубка, 5 – додатковий електрод,

6 – люмінофор.

При вмиканні люмінесцентних ламп у мережу необхідно застосовувати пускорегулювальну апаратуру (рис. 1, б). Пускорегулювальна апаратура для таких ламп - це звичайний дросель (котушка із сердечником), конденсатори і стартер.

Стартер Ст. призначений для автоматичного вмикання та вимикання електродів люмінесцентної лампи. Він складається з неонової лампи тліючого розряду, в якому один з електродів – біметалевий. При вмиканні електричного кола в мережу, між електродами стартера виникає тліючий розряд, який нагріває їх. Біметалевий електрод деформується, замикає коло, остигає і знову розмикає його.

Процеси нагрівання та охолодження електродів стартера (замикання і розмикання кола) відбуваються до того часу, поки засвітиться люмінесцентна лампа.

Дросель Др. виконує в електричному колі дві функції: по-перше, в момент розмикання електричного кола стартером утворюється висока миттєва ЕРС на кінцях котушки; по-друге, обмежує силу струму через лампу під час її свічення. Дросель повинен відповідати потужності лампи.

Коротко пояснимо дію такого електричного кола. При вмиканні кола в електричну мережу, через електроди люмінесцентної лампи протікає електричний струм. Між електродами стартера виникає електрична дуга, яка нагріває їх. Біметалевий електрод деформується, торкається іншого електрода (коло замикається) і по електродах люмінесцентної лампи протікає номінальний струм. Останні нагріваються до температури 800 °С і навколо них утворюється хмаринка електронів внаслідок термоелектронної емісії.

У стартері, після того як тліючий розряд припинився, електроди охоло­джуються і розмикаються. Напруга мережі разом з імпульсом ЕРС, наведеної дроселем в момент розмикання кола стартером, викликає самостійний газовий розряд у трубці люмінесцентної лампи. Через 1-2 секунди лампа засвічується. Якщо лампа не засвітилася з першого розмикання електродів стартера, то процес його увімкнення і розмикання буде повторюватися до тих пір, поки в лампі виникне самостійний газовий розряд.

Виникнення імпульсу високої ЕРС пояснюється явищем самоіндукції, яка виникає в момент розмикання електричного кола стартером. З фізики відомо, що ЕРС самоіндукції , де – індуктивність котушки (її значення велике, так як дросель має велику кількість витків дроту і стальне осердя), швидкість зміни струму в котушці в момент розмикання кола (ця величина теж велика, так як процес комутації відбувається миттєво).

Конденсатор С₁ служить для зменшення радіоперешкод під час запалювання неонової лампи в стартері (іскріння), а конденсатор С₂ – для підвищення коефіцієнта потужності схеми.

Контрольні запитання

1. Пояснити зміст та послідовність виконання роботи?

2. Які типи ламп ви знаєте?

3. Назвати основні елементи ламп розжарення.

4. Які види газорозрядних ламп ви знаєте.

5. Назвати основні елементи люмінесцентної лампи і пояснити принципи її дії.

6. Яке призначення стартера і дроселя в люмінесцентних світильниках?

7. Пояснити будову і принцип дії газорозрядних ламп ДРЛ.

8. Розшифрувати абревіатуру: ЛБ, ЛДЦ, ЛХБ, ЛД, ЛТБ.

9. Що називається світловіддачею?

10. Які лампи мають велику світловіддачу і чому?

Лабораторна робота № 5.